[发明专利]用于功率补偿的变换器装置以及用于控制功率变换器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在电力系统中使用的功率变换器，该功率变换器包括串联连接的具有半导体开关和能量存储元件(诸如电容)的开关单元。特别地，本发明涉及用于三相交流传输网络中功率补偿的功率变换器。

背景技术

本发明涉及电压源变换器领域，诸如多电平变换器。电压源变换器(VSC)具有变化的功率传输和分配，并使用包含可以关断的半导体开关元件的电力电子技术，诸如被发现对于DC传输、无功功率补偿、有功及无功功率控制是很有用的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，能够通过开关控制从DC电压产生AC电压，并用于转换AC为DC等等。

多电平变换器技术，采用具有相应的能量存储元件的开关单元，用于提供许多电压电平，其中独立切换的每个电压电平可以用于补偿，例如，AC传输网络的无功功率。通常，所使用的能量存储元件由电容器组成但也可以是电池。

H桥链环是市场上非常成功的拓扑，并且其由多个制造商提供。H桥单元可以是比较简单的并适用于作为模块提供，其有助于降低制造成本。由于模块或者开关单元的数量是与AC电压成比例的，该系统是很容易缩放的。存在链环拓扑的多个变形，诸如y-或三角形-连接的H桥，以及Y连接的M₂LC。

图9是根据现有技术的多电平H桥变换器的简化示例，该变换器是Y连接的。多电平变换器装置包括三个相腿10、20、30，每个具有连接15、25、35，分别适用于连接变换器装置至三相交流功率输电网的各个相A、B、C，该输电网连接15、25、35设置在每个相腿10、20、30的第一端。线圈13、23、33布置在输电网连接处以平滑变换器产生的波形。在每个相腿10、20、30的第二端，相腿10、20、30以Y连接的方式相互连接。每个相腿10、20、30包括许多串联连接的开关单元11A-n、21A-n和31A-n。每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n包括形式为电容器的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n。相腿10、20、30的每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n被设置为与每个其它开关单元11A-n、21A-n、31A-n相同类型的模块；具有相同的桥式拓扑，相同类型的电容器和相同类型的半导体开关。多电平变换器还包括被布置为监测电流和电压并控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n的开关的控制器50。控制器50被设置为控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n以调整输电线或网的有功和无功功率。控制器50以大体高于输电网频率的开关频率的控制周期控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n。每个相电压在每个控制周期内调整，其中相电压根据变换器从设置在输电网中的外部控制器接收的作为输入的电压参考信号调整。相腿10、20、30可能会变得不平衡，使得电容器(能量存储元件12A-n、21A-n和31A-n)中的一些或者所有的电压偏离期望的标称单元电压。

这种变换器及类似变换器的成本和损耗是与变换器中使用的总的硅面积相关的。硅面积是取决于额定电压和额定电流的。可能会引起各个能量存储元件上的电压变得过高或者过低的问题。并且，例如，在相腿的单元中可得到的总电压可能会变得过低。对于工业应用的变换器的正常操作，设计者应考虑到三相负载的不平衡。不平衡的负载产生了需要通过变换器补偿的负序电流。为了抵消这些电流的影响，串联连接的单元的总数需要足够大以补偿因为需要注入零序电压而出现的不平衡状态。这产生了对超额变换器的需求，其中许多额外的开关单元需要被包含在相腿中用作冗余。

使用更多的开关单元是不利的，因为额外的开关单元增加了变换器的成本并且增加了变换器使用期间的损耗。

发明内容

一般地，权利要求中使用的所有术语根据其在本技术领域中的普通意义解释，除非本文中另有明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、装置、步骤等”的所有引用被开放性地解释为指代元件、装置、组件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。本文所公开的任何方法的步骤不一定要以公开的精确顺序执行，除非明确说明。

本发明的一个目的是克服现有技术的缺点。